Hệ thống nhúng module phần cứng và phần mềm

Các hình thái trong phát triển phầnCác hình thái trong phát triển phần mềm „ Dung lượng lớn, giá thấp, tính tích hợp thấp: CD player 8-bit vi xử lý với RAM, ROM, IO nằm trên chip mã

Hệ thống nhúng

„ Những mô hình tính toán thông dụng của g g ụ g ES

Phần mềm hệ thống nhúng truyền Phần mềm hệ thống nhúng truyền thống = CPU + RTOS

Hệ thố hú hiệ t i

Hệ thống nhúng hiện tại

Application Specific Gates Analog I/O

DSP Code

Processor

„ Hệ thống nhúng bao gồm

… Hệ thống phần cứng (boards, ASICs, FPGAs etc.)

Th thi tiết kiệ ă l

„ Thực thi, tiết kiệm năng lượng

… Chương trình phần mềm Bộ vi xử lý: xử lý tín hiệu số DSP, μcontrollers etc

Xử lý và nắm bắt tính không đồng

Xử lý và nắm bắt tính không đồng nhất

M d l hầ ứ à hầ ề

Module phần cứng và phần mềm

„ Trong bộ vi xử lý luôn có sự xử lý luồng “thread of control”

„ Thành phần phần cứng riêng thường có sự xử lý song song

Thủ tục Các thành phần tương đương Các tiến trình

Có thứ tự Tính cân đối Tính cân đốiTính liên tiếp Tính liên tiếp Tính song songModule

tích hợp

Cá á h thứ tái lậ t ì h i ử lý Các cách thức tái lập trình vi xử lý

Tái ấ hì h S C

… Kinh nghiệm trong thiết kế g ệ g

lúc khởi điểm và được thiết kế riêng biệt

lúc khởi điểm và được thiết kế riêng biệt

Các hình thái trong phát triển phần

Các hình thái trong phát triển phần mềm

„ Dung lượng lớn, giá thấp, tính tích hợp thấp: CD player

… 8-bit vi xử lý với RAM, ROM, IO nằm trên chip

… mã assembly, đơn tác vụ, 1K-8K bytes mã

„ Dung lượng trung bình, giá vừa phải, tính hợp trung bình: bộ điều khiển từ xa bằng tay

… 16-bit or 32-bit vi xử lý với bộ nhớ và thiết bị ngoại vi

… Tùy biến phát triển phần mềm giữa C và assembly

… Tùy biến phát triển phần mềm giữa C và assembly

… 64 KB-1MB mã, đa tác vụ

„ Dung lượng thấp, giá cao, tính tích hợp cao: hệ thống điều khiển không khí

… Tính bảo mật và tin cậy là thước đo chủ yếu của chất lượng

… Tính bảo mật và tin cậy là thước đo chủ yếu của chất lượng

… Phát triển và duy trì giá cả

… Tính hiệu quả cao

„ Tính hiệu quả cực cao:ệu quả cực cao modem không dâyode ô g dây

… Thiết kê phần cứng, phần mềm phải tương thích với phần cứng

… Tùy biến bộ lệnh xử lý, môi trường phát triển phức hợp

… Tích hợp với thiết kế công cụ phần cứng

„ Mô phỏng và công cụ tổng hợp

hợp và kết nối giữa phần cứng và phần mềm

DSP

Code

phần mềm

Luồng thiết kê của hệ thống nhúng

Environ

-ment

„ Mô hình hóa

‹ Hệ thố đ thiết kế à th hiệ ới á

thuật toán

„ Phân loại

‹ Chức năng được thực thi sẽ được phân chia

‹ Chức năng được thực thi sẽ được phân chianhỏ hơn, có tác động qua lại lẫn nhau

„ Phân chia HW-SW : phân rõ thành phần

‹ Các phần tử trong mô hình phân chia gồm (1)

Processor

Analog I/O Memory ASIC

‹ Các phần tử trong mô hình phân chia gồm (1)

HW, hoặc (2) SW chạy trên nền phần cứnghoặc tương thích với lập trình vi xử lý

„ Lập lịch ập ị

‹ Đưa ra số lần các chức năng được gọi trong

hệ thống Nó quan trọng khi một số module trong thành phần chia thành các phần tử phần

Design & Optimization

H/W & S/W Components

Design Tools

and Languages

F b i ti Fabrication Testing

Kỹ thuật thiết kế đặc biệt và sự tiếp cận của

Kỹ thuật thiết kế đặc biệt và sự tiếp cận của

hệ thống nhúng

„ Hướng tiếp cận chung

… Phần lớn mã viết trên assembly

… Lập trình đo thời gian, các driver liên kết tầng thấp, tác vụ và

hàm ngắt

„ Hoàn thiện khả năng, và bất lợi

„ Hoàn thiện khả năng, và bất lợi

… Chương trình buồn tẻ

… Khó hiểu và duy trì

… Khó kiểm tra theo thời gian và giới hạn bộ nhớ

„ Hệ quả chính là không thể dự đoán được

… Hệ thống có thể làm iệc tốt trong một khoảng thời gian nh ng

… Hệ thống có thể làm việc tốt trong một khoảng thời gian nhưng

sẽ có lỗi trong một số điều kiện

Thiết kế ó hệ thố ủ ES

Thiết kế có hệ thống của ES

dự đoán trước

L ồ điề khiể h th ộ à á dữ liệ đặ thù à điề kiệ

… Luồng điều khiển phụ thuộc vào các dữ liệu đặc thù và điều kiện môi trường, không thể tái tạo một cách toàn diện trong giai đoạn kiểm tra

… Do vậy, kiểm tra chỉ là một phần của kiểm thử hệ thống, liên

quan tới các dữ liệu đặc thù trong input

„ Sự cần thiết trong đảm bảo hệ thống Sự cầ ế o g đả bảo ệ ố g

… Sử dụng các phương pháp thiết kế (Design methodologies)

… Phân tính tĩnh hệ thống phần cứng và mềm

Thiết kế ổi bật thể hiệ hữ điề khô d đ á t ớ t

… Thiết kế nổi bật thể hiện những điều không dự đoán trước trong kịch bản như các điều kiện, môi trường liên quan

Công cụ và mô hình cho thiết kế có

Công cụ và mô hình cho thiết kế có

hệ thống

thành phần thiết kế phức tạp, được sử dụng phần lớn trong hệ thống nhúng

… Đặc điểm kỹ thuật tổng hợp tối ưu hóa kiểm chứng

… Đặc điểm kỹ thuật, tổng hợp, tối ưu hóa, kiểm chứng

… Sự phổ biến của phần cứng, và các phần mềm tương ứng

… Cụ thể hóa trình bày sự hiểu biết, ý tưởng về hệ thống

… Cân nhắc tới sự thay đổi của mô hình hoặc các chi tiết cần thiết,

và cần biết chúng đã được phân tích, tìm hiểu và kiểm tra

… Công cụ mang tính hệ thống hóa

Mô hì h ô ữ à ô

Mô hình, ngôn ngữ và công cụ

Đặc điểm chung của hệ thống

Đặc điểm chung của hệ thống

nhúng

Control System

ENVIRONMENT ENVIRONMENT

Đặc trưng hệ thống nhúng

ố

Thuật toán trong điều khiển Giao diện Hệ thống

Điề khiể

Điều khiển giao diện

Lệnh điều khiển Máy tính thời gian thực

Thời i th là ì?

Thời gian thực là gì?

quan tới mục đính cơ bản của hệ thống tính

toán

vào kết quả logic của sự tính toán mà con phụ thuộc

vào kết quả logic của sự tính toán mà con phụ thuộc vào thời gian diễn ra tiến trình tính toán đó

bên ngoài mà phải xảy ra trong suôt quá trình phát triển và hoạt động của hệ thống

thước đo giống với thước đo cho môi trường thời gian ngoài hệ thống

Tá thời i th

Tác vụ thời gian thực

„ Khóa chính để phân biệt giữa tác vụ thời gian thực và không thời gian thực là sự tồn tại của giới hạn thời gian thực hiện (deadline)

… Kết quả sau giới hạn không chỉ muộn mà còn sai

… Kết quả sau giới hạn không chỉ muộn mà còn sai

… Hệ thống phải sử dụng input tiếp theo sau giới hạn

„ Phần cứng và phần mềm (Hard - Soft)

… Phụ thuộc vào kết quả của sự thiếu hụt giới hạn

… Soft: thiếu hụt giới hạn không ảnh hưởng trầm trọng tới môi

trường và không gây nguy hiểm tới sự đúng đắn của hệ thống g g g y g y g g

… Hard: thiếu hụt giới hạn gây ảnh hưởng trầm trọng tới môi

trường hoạt động của hệ thống

„ Hệ thống thông thường là sự kết hợp giữa hai kiểu tác vụ

„ Hệ thống thông thường là sự kết hợp giữa hai kiểu tác vụ

hệ thống điều khiển bay.

„ Soft real-time — deadline là quan trọng đối với hệ thống

„ Soft real-time deadline là quan trọng đối với hệ thống, nhưng cũng tồn tại chức năng để sửa lỗi hệ thống khi

thống nhận dữ liệu.

„ Firm real time là hệ thống soft real time trong trường

„ Firm real-time — là hệ thống soft real-time trong trường hợp không có sự ràng buộc gì trong giới hạn cần thiết.

Điể đặ t

Điểm đặc trưng

„ Tính đúng lúc

„ Tính đúng lúc

… Kết quả cần phải chính xác không chỉ trong giá trị mà còn trong khoảng thời gian

„ Hệ điều hành phải cung cấp cơ chế hoạt động của nhân trong điều khiển thời gian, nắm bắt các tác vụ với thời gian chính xac

Tí h đả bả ới h t độ hiệ ất hất

„ Tính đảm bảo với hoạt động hiệu xuất cao nhất

… Phải đảm bảo điều kiện hoạt động với hiệu xuất cao nhất

„ Tính có thể dự đoán được

… Hệ thống phải có thể dự đoán được kết quả của bất kỳ trạng thái phân công của

… Hệ thống phải có thể dự đoán được kết quả của bất kỳ trạng thái phân công của

hệ thống

„ Nếu tác vụ không đảm bảo thời gian trả lời, thì hệ thống phải thông báo đưa ra phương

án dự phòng

Câ hắ khả ă ủ i ử lý h h DMA

„ Cân nhắc khả năng của vi xử lý như cache, DMA

„ Cân nhắc tới các đặc trưng của nhân hệ thống như chế độ lập lịch, đồng bộ, quản lý bộ nhớ, nắm bắt các lệnh ngắt.

„ Lỗi có thể chấp nhận được

… Hệ thống đơn của phần cứng và phần mềm có lỗi chấp nhận được khi không là nguyên nhân của sự phá hủy hệ thống

„ Thực thi và nâng cấp

… S th đổi ủ hệ thố hải dễ dà th hiệ

… Sự thay đổi của hệ thống phải dễ dàng thực hiện

Tí h đú lú

Tính đúng lúc

„ Tính đúng lúc là cơ sở chính tronghoatj động của hệ thống

„ Tăng khả năng hoạt động có tính chặt chẽ của hệ thống

„ Tính đúng lúc chặt chẽ (cứng), tính đúng lúc mềm, sự tác động qua lại

„ Hai loại của tính đúng lúc

… Ràng buộc trong thực thi: giới hạn về thời gian trả lời của hệ thống

… Ràng buộc trong hành vi: sự đòi hỏi về khả năng yêu cầu của

… Ràng buộc trong hành vi: sự đòi hỏi về khả năng yêu cầu của người sử dụng tới hệ thống

„ Một số loại khác trong ràng buộc

… Maximum: không lớn hơn khoảng thời gian t giữa 2 sự kiện

… Maximum: không lớn hơn khoảng thời gian t giữa 2 sự kiện

… Minimum: không nhỏ hơn khoảng thời gian t giữa 2 sự kiện

… Durational: sự kiện phải xảy ra trong khoảng thời gian t

M i t à b ộ thời i

Maximum trong ràng buộc thời gian

A Liên kết S-S (Stimuli - Stimuli): thời gian cực đại cho phép giữa hai tác nhân kích thích

„ Ví dụ yêu cầu số thứ 2 phải xảy ra không muôn hơn 20 giây sau số thứ nhất

B Liên kết S-R (Stimuli - Response): thời gian cực đại cho phép giữa tác nhân kích thích đầu vào và sự trả lời của hệ thống

„ Ví dụ người gọi điện sẽ nhận được tín hiệu gọi không muộn hơn 2 giây sau

khi nhấc ống nghe

C Liên kết R-S (Response - Stimuli): thời gian cực đại cho phép giữa khoảng tra lời của hệ thống và tác nhân kích thích tiếp theo từ môi trường

„ Vi dụ sau khi nhận được tín hiệu gọi người gọi phải ấn số trong vào 30 giây

„ Vi dụ sau khi nhận được tín hiệu gọi, người gọi phải ấn số trong vào 30 giây

D Liên kết R-R (Response - Response): thời gian cực đại cho phép giữa 2 lần trả lời của hệ thống

„ Ví dụ sau khi kết nối được người gọi sẽ nhận được chuông reo không trễ

„ Ví dụ sau khi kết nối được, người gọi sẽ nhận được chuông reo không trễ hơn 0.5 giây sau khi nhân được tin hiệu chuông

Mi i t à b ộ thời i

Minimum trong ràng buộc thời gian

A Liên kết S-S: thời gian nhỏ nhất cần thiết giữa hai tác nhân kích thích

„ Ví dụ 0.5s là thời gian nhỏ nhất xảy ra giữa lần gọi thứ nhất đến lần gọi tiếp theo

B Liên kết S-R: thời gian nhỏ nhất cần thiết giữa tác nhân kích thích vào hệ thống và sự trả lời của hệ thống

„ Vi dụ sau khi người gọi nhấn 0, hệ thống sẽ đợi khoảng 15 giây sau khi có tín hiệu

C Liên kết R-S: thời gian nhỏ nhất cần thiết giữa sự trả lời của hệ thống và tác nhân kích thích tiếp theo từ môi trường

„ Vi dụ khi hệ thống bận với quá trình xử lý yêu cầu từ một số cổng và không

„ Vi dụ khi hệ thống bận với quá trình xử lý yêu cầu từ một số cổng, và không thể xử lý thêm các thông tin vào các cổng đó tại cùng một thời điểm

D Liên kết R-R: thời gian nhỏ nhất phải có giữa 2 lần trả lời của hệ thống

„ Ví dụ người sử dụng cần biết chắc khoảng thời gian sau lần trả lời đầuụ g ụ g g g

Phâ biệt iữ á d l

Phân biệt giữa các model

„ Thời gian: không giới hạn, thời gian liên tiếp, thứ

tự cục bộ, thứ tự toàn bộ

„ Giá trị: liên tiếp, mẫu, sự kiện

„ Sự liên kết trong cơ chế hoạt động ự g ạ ộ g

Những mô hình tính toán thông

Những mô hình tính toán thông

… VHDL, Verilog, SystemC, SpecC, Java

„ Đồng bộ hóa / Ngôn ngữ tác động ngược

… Esterel Lustre Signal

… Esterel, Lustre, Signal

„ Unified Modeling Language (UML)

Má t thái hữ h (FSM)

Máy trạng thái hữu hạn(FSM)

„ FSM là mô hình toán học của hệ thống gồm có:

„ Hệ thống có thể trong giới hạn của điều kiện được gọi là trạng thái

„ Hành vi hệ thống bên trong trang thái là sự đồng nhất tồn tại

Hệ thố ở t á t thái dà h h từ kh ả thời i hất đị h

„ Hệ thống ở trong các trạng thái dành cho từng khoảng thời gian nhất định

„ Hệ thống có thể thay đổi trạng thái chỉ trong giới hạn được định nghĩa trước, gọi là sụ chuyển đổi

„ Sự chuyển đổi là sự trả lời của hệ thống tới các sự kiện bên trong hoặc ngoài hệ thống

„ Sự kiện không được phép trong trạng thái sẽ được loại bỏ hoặc có kết quả sai

„ FSM = (Đầu vào, đầu ra, trạng thái, khởi tạo trạng thái, trạng thái tiếp theo)

„ Tương thích giữa điều kiển và các cổng điều khiển

„ Ít tương thích cho bộ nhớ và dữ liệu

„ Ít tương thích cho bộ nhớ và dữ liệu

„ Dễ dàng sử dụng với các thuật toán dành cho mô hình và kiểm chứng

FSM ổ điể

FSM cổ điển

Thiết kê đồng bộ máy trạng thái

Thiết kê đồng bộ máy trạng thái

hữu hạn (CFSMs)

… FSM kết hợp với sự nắm bắt dữ liệu và kết nối không đồng bộ

„ Các thành phần FSM: I/O, trạng thái, chuyển đổi và quan hệ đầu ra

„ Thành phần dữ liệu tính toán: bên ngoài, ngay lập

… Đồng bộ hóa: zero và trễ vô hạn

… Không đồng bộ:non-zero, hữu hạn và biên độ trễ

… Không đồng bộ:non zero, hữu hạn và biên độ trễ

… Trao đổi thông tin

… Trao đổi thông tin

„ Thuộc tính

… Liên tục

… Đơn điệu

Mô hình luồng dữ liệu

„ Chi phối các hình thức dữ liệu

„ Chi phối các hình thức dữ liệu

động, biểu hiện, khởi tạo

„ Phương án: luồng dữ liệu tĩnh, g g ệ ,

luồng dữ liệu boolean, luồng dữ

liệu động

4 Mức trao đổi dữ liệu thanh ghi

5 Mô hình mức cổng (Gate level)

6 Mô hình mức chuyển đổi (Switch-level)

„ Điều khiển trạng thái FSM

„ Theo dõi sự kiệnNổi bật ủ ô hì h

… Nổi bật của mô hình

„ Trong quá trình mô phỏng

„ Trong quá trình thực hiện và code

… Chi tiết kỹ thuật

… Kiến trúc liên kết và mô phỏng

… Tổng hợp, ngôn ngữ và lập lịch

… Thiết kế chi tiết và thực thi

… Mô phỏng toàn hệ thống